Neuartige Membran hält Elektrolyte auseinander

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Wasserabweisende Membran für hocheffiziente Energiespeicherung

Wissenschaftlern des Leibniz-Instituts für Interaktive Materialien (DWI), der  Aachener Verfahrenstechnik, RWTH Aachen, und der Hanyang University in Seoul gelang  eine wesentliche Verbesserung einer Schlüsselkomponente für die Entwicklung neuer Energiespeichersysteme.

Redox-Flow-Batterien gelten als mögliche Zukunftstechnologie für hocheffiziente Energiespeicherung. Sie speichern elektrische Energie in Form von Elektrolyten, die gelöst in Lösungsmitteln vorliegen. In einer Vanadium-Redox-Flow-Batterie sind das in Schwefelsäure gelöste Vanadium-Ionen. Zwei energiespeichernde Elektrolyte zirkulieren dabei in durch eine Membran getrennten Kreisläufen. Die Speicherkapazität hängt von der Menge der Elektrolyte ab und kann individuell an die Anwendung angepasst werden. Wenn die Batterie geladen oder entladen wird, werden die Vanadium-Ionen in den beiden Elektrolyten oxidiert – gleichzeitig wandern Protonen durch die trennende Membran.

Diese Membran spielt dabei eine zentrale Rolle: Sie muss einerseits die energiespeichernden Elektrolyte in den beiden Kreisläufen voneinander trennen, da eine Vermischung zum Verlust der gespeicherten Energie führen würde. Andererseits müssen die Protonen die Membran beim Lade- und Entladevorgang der Batterie problemlos passieren können. Die Entwicklung eines Materials, das diese beiden Eigenschaften erfüllt – undurchlässig für die Vanadium-Ionen und durchlässig für Protonen – stellte eine wesentliche Hürde dar, vor allem für die effiziente kommerzielle Nutzung.

Als Maßstab galt bislang eine Membran aus dem Polymer Nafion. Eine solche Membran ist chemisch stabil und lässt Protonen passieren. Allerdings quellen Nafion und Nafion-ähnliche Polymere durch Wasser, so dass sie nur eine limitierte Barriere-Funktion für die Vanadium-Ionen haben. Polymerchemiker versuchten bisher, diese Vanadium-Leckage zu unterdrücken, indem sie die molekularen Strukturen der Membran verändern.

Die Wissenschaftler aus Aachen und Seoul haben einen völlig anderen Ansatz gewählt. „Wir arbeiten mit einer hydrophoben, also wasserabweisenden Membran. Die Membran quillt nicht im Wasser und bleibt daher stabil“, erklärt Prof. Matthias Wessling. Er ist stellvertretender wissenschaftlicher Direktor im Leibniz-Institut für Interaktive Materialien (DWI) und Inhaber des RWTH-Lehrstuhls für chemische Verfahrenstechnik. „Wir waren sehr positiv überrascht, als wir festgestellt haben, dass sich in dem hydrophoben Material winzige Poren und Kanäle ausbilden, in denen Protonen problemlos und mit hoher Geschwindigkeit durch die Membran gelangen können, während die Vanadium-Ionen aufgrund ihrer Größe zurückgehalten werden.“ Weniger als zwei Nanometer (zwei Millionstel Millimeter) sind die Kanäle breit. Der Trenneffekt hat Bestand: Auch nach einer Woche oder 100 Lade- und Entladevorgängen ist die Membran für Elektrolyt-Ionen undurchlässig. „Auf diese Weise konnten wir eine Energieeffizienz von bis zu fast 99 Prozent erreichen, je nach Stromstärke. Unsere Membran stellt also eine echte Barriere für das Vanadium dar“, so Wessling weiter. Unabhängig von der Stromstärke erreichten die Wissenschaftler in jedem Fall eine Energieeffizienz von mindestens 85 Prozent. Konventionelle Systeme erreichen dagegen maximal 76 Prozent.

Wissenschaftlich ergibt sich mit diesen Forschungsergebnissen ein neues Transportmodell. Das Polymer mit ‚intrinsischer‘ Mikroporosität, PIM genannt, zeigte in optischen Experimenten keine Quellung mit Wasser. Stattdessen verdichtet es sich signifikant. Die Wissenschaftler erklären dieses Phänomen damit, dass sich Wassermoleküle nicht im Polymer, sondern nur in den Poren sammeln. Das Forscherteam hofft, mit diesen Ergebnissen weitere Studien anzustoßen, die analysieren, wie sich Ionen in Mikroporen wasserabweisender Polymere verhalten.

Die Wissenschaftler aus Aachen und Seoul planen jetzt weitere Tests: Wie kann die neue Membran für die Anwendung in der Redox-Flow-Batterie optimiert werden? Und ist sie wirklich langfristig stabil? Sollte das der Fall sein, könnte die hydrophobe Membran die tatsächliche Nutzung von Redox-Flow-Batterien und ähnlichen Energiespeichersystemen extrem vorantreiben. Vor allem für eine verlässliche Stromversorgung unter Nutzung nachhaltiger Energiequellen, aber auch als Beitrag zur Netzstabilität und Frequenzerhaltung.

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